主翼前缘后掠很大、后缘基本垂直于机身中线、平面形状很接近三角形的机翼就称为三角翼。世界各 国超音速战斗机采用三角翼的很多,说明它的有些特点对超音速飞行是有好处的。但是,二次世界大战后最初的超音速飞机并没有采用三角翼,而是普遍采用后掠翼。
20世纪40年代,战斗机的发展主要表现在追求飞得快和飞得高,即提高飞机的速度和升限。可是 ,当飞机速度接近音速(声音速度,也称声速)时会出现两个大问题:一是飞机会出现突然自动俯 冲的安定性问题;二是阻力会突然增加很多。为解决后一问题,科研人员发现采用后掠翼可以在一 定程度上予以克服。所以,上世纪50年代初出现的战斗机大多都采用后掠翼,而且随着机型更新 ,最大飞行M数(也称马赫数,为飞行速度与音速的比值)的提高,机翼后掠角愈来愈大。最典型的代表就是前苏联的苏-7战斗机,它的机翼前缘后掠角达到了63度。
凡事都有“度”。当后掠翼的后掠角大到一定程度后又会出现一些新的问题,如机翼翼尖部分容易失速的问题变得更加突出,机翼的空气动力弹性变形变得更加严重, 将大为增加机翼的结构重量。另外,如果后掠翼的后掠角不够大,飞机的阻力系数在M数大于1.3以后反而有可能增大。
幸有航空科研人员发现:飞机的超音速阻力问题可以通过采用小展弦比(翼展与机翼平均弦长的比值 )和相对厚度很薄的机翼来解决,例如美国的F-104战斗机就是采用这一做法的典型代表。但 对于战斗机来说,除了速度要求外,还需要有足够的机翼面积,减少机翼翼载荷(即每平方米机翼 面积承担的飞机重量)以保证飞机的机动性。F-104因为机翼面积小,翼载荷太大,速度是上去了(M数2.0),机动性却很差。
从机翼的几何形状可以看出,与一般的后掠翼相比,由于三角翼的平均翼弦比较长,在机翼面积相同的情况下,其机翼的相对厚度就比较小,机翼前缘后掠角大(一般都为50~60度), 可以降低超音速阻力。同时,这种机翼的刚性好,绝对厚度比较大,使它的机翼翼梁可以做得相对高 而轻,总的结构重量可以减轻。因此,采用三角形机翼可以满足战斗机速度和机动性两方面的综合 要求。20世纪50年代末,有很多战斗机都采用了三角形机翼,如美国的F-102、F-10 6,法国的“幻影”Ⅲ,前苏联的苏-9和米格-21等。我国的歼七就是在米格-21的基础上改进而成的,也采用了三角翼设计。
从气动布局的角度看,三角翼飞机根据其水平尾翼的特点,可分为无尾三角翼飞机(如F-102、“幻影”2000 等);有尾三角翼飞机(如苏-9/11等);鸭式三角翼飞机(如法国的“阵风”、瑞典的Saab-37等)和三翼面三角翼飞机(如米格-21的三翼面研究机)等。
1948年,美国康维尔公司研制XF-92A喷气式试验机,采用的就是无尾三角翼设计。195 3年,在此基础上设计出世界上第一架实用型的超音速战斗机F-102,后批生产装备部队。苏 联于20世纪50年代初期和中期,生产出了最早的一批超音速有尾三角翼飞机(如苏-9等)。首架超音速鸭式布局的三角翼飞机是美国人于1964年试飞成功的XB-70轰炸机研究机。
三角翼在空气动力上的优点,除了超音速阻力小外,还有大迎角失速特性好(不容易突然失速),从 亚音速过渡到超音速时,机翼压力中心后移量少,对舵面平衡能力的要求较低,有助于减小超音速配平阻力。
这种机翼在空气动力上的缺点是,机翼展弦比小,在亚音速和大迎角飞行时的诱导阻力(即直接随升 力变大而增加的阻力)偏大,最大升阻比低,对航程很不利;其升力线斜率不高(即随着迎角的增 加,升力系数增加较慢),起降状态时可用的升力较小,作机动动作时,需要较大的迎角,使飞行员的前方视界变差。特别是对于用机械操纵,而不是电传操纵的无尾三角翼飞机,由于不能用襟翼(放襟翼后难以取得平衡),起降滑跑距离都很长。
前苏联在设计这些战斗机时,则仍保留水平尾翼。这种布局可以使用襟翼,能保证较好的起降性能。 苏联的权威研究机构——中央空气流体动力学研究院当时决定,所有战斗机都采用有尾三角翼设计,如苏-9/11、苏-15和米格-21等。不过,加装平尾后会稍微增加一些飞机阻力。
关于三角翼飞机超音速阻力小的优点,我们不妨拿同时代的美国战斗机来作一个比较。米格-21在 M数为1.16时,最大零升阻力系数(不考虑由于升力引起的阻力)只有0.0308(亚音速 时为0.0145)。而美国的F-104战斗机,采用的是很薄的小展弦比梯形机翼,它的超音 速零升阻力系数则为0.048(亚音速为0.0145)。美国另一种采用后掠翼的战斗机F- 4“鬼怪”,其超音速零升阻力系数为0.041(亚音速时为0.0175)。显然,采用三角 翼的米格-21的零升阻力系数要小得多。当然,米格-21的零升阻力系数小,与它采用机头进气方式也有关系。
采用三角翼的歼七/米格-21飞机在M数大于1.1以后,水平增速性能相当好,即使达到M数2 .05,剩余推力仍很大,如果不是受机身弹性变形使方向安定性下降的限制,其最大M数可以达 到2.3。即使与现代战斗机比较,歼七良好的阻力特性也是很突出的。例如F-16的零升阻力 系数在亚音速时为0.0175,在M数1.16时为0.043,也就是说,M数增加,其阻力系数增加很快,到M数1.9时约为0.06左右,都比歼七飞机差。
同时代的法国“幻影”Ⅲ战斗机,由于采用了无尾三角翼布局,在推重比不大(只有0.63)的条 件下,仍能轻易地达到2倍音速(即M数2)。不过,采用无尾布局的飞机不能使用襟翼,起降性 能和低空大迎角机动性能不好。“幻影”Ⅲ起降时的可用升力系数只有0.43左右,而歼七则为0.55~0.60。
当然,与其它形状的机翼一样,三角翼也有明显缺陷。除上述问题外,由于它的展弦比小,诱导阻力大, 最大升阻比小, 使得飞机航程都比较短。例如歼七飞机的展弦比为2.2(“幻影”2000是2.03、F-16 是3.2),亚音速最大升阻比只有8.7(“幻影”2000是8.5、F-16是10.5、 米格-15是14.6)。飞机航程是与最大升阻比直接成正比的,歼七飞机的升阻比较小,因此航程也相对较短。此外,歼七使用的涡轮喷气发动机,而不是涡轮风扇发动机也是航程短的重要因素。
上世纪80年代的法国战斗机“幻影”2000,虽然仍选择无尾三角翼布局,但采用了一些先进技 术,如电传操纵、放宽静安定度等,可克服三角翼飞机起降滑跑距离长的缺点;在空中飞行时,可 用升力系数达到1.4以上(与F-16的可用升力系数相当),它的起降性能和机动性能都有很大提高。由此可见,即使到21世纪,只要设计合理,三角翼不比其它形状机翼差。
有人想在三角翼上加边条,以改进其气动力特性。实验表明,在三角翼上加边条无法克服航程短的缺 点,只能改善飞机的大迎角特性,而这并不是三角翼存在的主要问题。当然,这也不是说,在气动 上就没有潜力可挖了。比较可行的改进方法,就是将三角翼的外翼段后掠角减少,也可以说是两个 前缘后掠角不同的三角形的组合,称为双三角机翼。采用双三角翼后的结果是,展弦比和机翼面积都有所增加,飞机诱导阻力明显下降。前苏联的苏-15战斗机就是采用这种机翼的一个代表。
国产歼七的改进型歼七E和出口型称F-7MG,都采用了双三角机翼和前、后缘机动襟翼,飞机性 能明显提高。一定程度上可满足现代空战的要求,飞机的航程明显增加,起降性能进一步改善,起飞和着陆滑跑距离更短。与原歼七M战斗机相比,F-7MG的中、低空机动性能也有明显提高。
通过计算表明,F-7MG的综合机动性能提高了43%,作战半径增加了10%,起飞滑跑距离缩 短30%,着陆滑跑距离缩短28.6%,爬升率增加20%(海平面,加力状态)。如果只改进 机翼和发动机,F-7MG近距作战效能比歼七M提高了35.9%;增加SSR雷达后,近距作 战效能提高83.9%。由此可见,经过改进的歼七出口型,在现役的同代超音速战斗机中仍然是佼佼者,使用寿命也会大大延长。
More abstracts about the 歼七为什么采用三角翼?